工程水文水力学思考题和计算题
一、思考问答
1、水文现象是一种自然现象，它具有什么特性，各用什么方法研究？
答：具有确定性（也可说周期性）与随机性，确定性决定了水文现象的相似性，决定了水文现象的随机性。确定性规律用成因分析发研究，随机性规律用数理统计法研究。
1）成因分析法：
如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。
2）数理统计法：
情势预测、预报的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算、地区经验公式等。
水文计算常常是二种方法综合使用，相辅相成，例如由暴雨资料推求设计洪水，就是先由数理统计法求设计暴雨，再按成因分析法将设计暴雨转化为设计洪水。
此外，当没有水文资料时，可以根据水文现象的变化在地区分布上呈现的一定规律（水文现象在各流域、各地区的分布规律）来研究短缺和无资料地区的水文特征值。
2、何谓水量平衡？试叙闭合流域水量平衡方程在实际工作中的应用和意义。
答：对任一地区、任一时段进入的水量与输出的水量之差，必等于其蓄水量的变化量，这就是水量平衡原理，是水文计算中始终要遵循的一项基本原理。
依此，可得任一地区、任一时段的水量平衡方程。对一闭合流域：设P 为某一特定时段的降雨量，E 为该时段内的蒸发量，R 为该时段该流域的径流量，则有：P=R+Ec+△U , △U为该时段流域内的蓄水量，△U=U1+U2。
对于多年平均情况，△U ＝0，则闭合流域多年平均水量平衡方程变为：P'=R'+E' 影响水资源的因素十分复杂，水资源的许多有关问题，难于由有关的成因因素直接计算求解，而运用水量平衡关系，往往可以使问题得到解决。因此，
水量平衡原理在水文分析计算和水资源规划的分析计算中有广泛的应用。如利用水量平衡式可以用已知的水文要素推求另外的未知要素。例如：某闭合流域的多年平均降雨量
P'=1020mm ，多年平均径流深R'=420mm，试求多年平均蒸发量E '。E'=P'-R'＝600mm。
3、何谓年径流？它的表示方法和度量单位是什么？径流深度、径流总量、平均流量、径流模数的概念及相互关系。
答：一个年度内在河槽里流动的水流叫做年径流。年径流可以用年径流总量W（m3）、年平均流量Q（m3/s）、年径流深R（mm）、年径流模数M（L/(s ﹒km2)）等表示。
将计算时段的径流总量，平铺在水文测站以上流域面积上所得的水层厚度，称为径流深度径流总量是指在指定时段Δt通过河流某一断面的总水量。
径流模数是单位流域面积上单位时间所产生的径流量。
4、流量的观测与水位流量关系曲线的延长。
答：测站测流时，由于施测条件限制或其他种种原因，致使最高水位或最低水位的流量缺测或漏测，在这种情况下，须将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过程。
1）根据水位面积、水位流速关系外延：河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点常较密集，曲线趋势较明确，可根据这两根线来延长水位流量关系曲线。
2）根据水力学公式外延：此法实质上与上法相同，只是在延长Z～V曲线时，利用水力学公式计算出需要延长部分的V值。最常见的是用曼宁公式计算出需要延长部分的V值，并用平均水深代替水力半径R。由于大断面资料已知，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降I。
3）水位流量关系曲线的低水延长：低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零。此法关键在于如何确定断流水位，最好的办法是根据测点纵横断面资料确定。
5、流域平均降水量的计算方法。
答：1.算术平均法
当流域内地形起伏变化不大,雨量站分布比较均匀时,可根据各站同一时段内的降雨量用算术平均法推求。设流域内共有n 个雨量站，各雨量站的雨量分别为X1，X2，…，Xn （mm ），则流域平均雨量为：其计算式为:
Xp=(X1+X2+_Xn)/ n = 1/n (n ∑i-1)Xi
2.泰森多边形法（垂直平分法）
首先在流域地形图上将各雨量站（可包括流域外的邻近站）用直线连接成若干个三角形,且尽可能连成锐角三角形,然后作三角形各条边的垂直平分线,这些垂直平分线组成若干个不规则的多边形,如图中实线所示。每个多边形内必然会有一个雨量站,它们的降雨量以Xi 表示,如量得流域范围内各多边形的面积为
f i ，则流域平均降雨量可按下式计算:
Xp=（f1*X1+ f2*X2+_+ fn*Xn ） /[1/ F （n ∑i-1）fiXi]
F=f1+ f2+_ + fn
此法能考虑雨量站或降雨量分布不均匀的情况,工作量也不大,故在生产实践中应用比较广泛。
3.等雨量线法
等雨量线法。对于较大的流域，地形起伏一般较大，当流域内有足够的 雨量站时，可绘出等雨量线，求出相邻两等雨量线间的面积及平均雨量值 (xi+ xi+1 )/2计算流域平均雨量
X p =[1/2(X 1+X 2)f 1+1/2*(X 1+X 2)f 2+_+1/2*(X 1+X 2)f n ]/(f 1+f 2+_+f n )=1/F ∑-n
i 1[(X i +
X i +1)/2]f i
此法比较精确,但对资料条件要求较高,且工作量大,因此应用上受到一定的限制。主要用于典型大暴雨的分析。
6、如何绘制累积频率曲线？设计频率标准如何确定？
答：根据实测水文资料，按从大到小的顺序排列，然后用经验频率公 式计算系列中各项的频率，称为经验频率。以水文变量 x 为纵坐标，以经验频 率 p 为横坐标， 点绘经验频率点据，根据点群趋势绘出一条平滑的曲线，称为 经验频率曲线，下图为某站年最大洪峰流量经验频率曲线。有了经验频率曲线， 即
可在曲线上求得指定频率p 的水文变量值x。对经验频率的计算，目前我国水文计算上广泛采用的是数学期望公式P=m/(n+1)x*100%。
7、经验频率曲线的绘制方法
答：根据实测水文资料，按从大到小的顺序排列，如下左图所示，然后用经验频率公式计算系列中各项的频率，称为经验频率。以水文变量x为纵坐标，以经验频率p为横坐标，点绘经验频率点据，根据点群趋势绘出一条平滑的曲线，称为经验频率曲线，下右图为某站年最大洪峰流量经验频率曲线。有了经验频率曲线，即可在曲线上求得指定频率p的水文变量值Xp。
对经验频率的计算，目前我国水文计算上广泛采用的是数学期望公式：
式中p-等于和大于xm的经验频率；m ——xm的序号，即等于和大于xm的项数；n ——系列的总项数。
8、频率曲线的三个统计参数各表示什么意义？对频率曲线各有什么影响？
答：
关于三个统计参数对频率曲线的影响：
1、均值x对曲线的影响，Cv和Cs值固定时，x大的在频率曲线之上，相反在频率曲线之
下，x越大频率曲线越陡。
2、Cv对曲线的影响，当x与Cs为固定值时，Cv越大，则曲线越陡，左上方向上太高，
右下方越下降，Cv越小，频率曲线越平缓，Cv=0时，则为水平，
3、当Cs对曲线有影响时，且x与Cv固定值，且Cs〉0随着Cs增大频率曲线上端变得陡峭，下端变得平缓，此时曲线中部越来越偏向左边，当Cs〉2时，下端趋于水平，当Cs=0时，曲线呈正态分布。当Cs〈0时，随着Cs减小上端变缓，下端变陡。
9、偏态系数Cs﹥0或<0，各说明随机变量x的分布有何特点？
答：在数理统计中采用偏态系数CS作为衡量系列不对称程度的参数，当系列对于x对称时，CS=0；当系列对于x不对称时，CS≠0，若CS>0，称为正偏；CS≠0，若CS<0,称为负偏，如下图。
偏态系数CS>0，说明随机变量x出现大于均值的机会比出现小于均值的机
会少；偏态系数CS<0，说明随机变量x出现大于均值的机会比出现小于均值的机会多。
10、重现期（T）与频率（P）有何关系？千年一遇洪水，是指什么意思？95％的年径流其重现期为多少？P=90%的枯水年，其重现期（T）为多少年？以P=90%的枯水年为设计依据，其安全率和风险率各为多少？
答：频率曲线绘制后，就可在频率曲线上求出指定频率p的设计值xp。由于"频率"较为抽象，水文上常用"重现期"来代替"频率"。所谓重现期是指某随机变量的取值在长时期内平均多少年出现一次，又称多少年一遇。根据研究问题的性质不同，频率P与重现期T的关系有两种表示方法。
（1）当为了防洪研究暴雨洪水问题时，一般设计频率P＜50％，则:T=1/1-P, 式中：T――重现期，年；――频率，％；（2）当考虑水库兴利调节研究枯水问题时，设计频率；千年一遇洪水是指在长时期内平均1000年出现一次；11、若年径流量与年降水量之间的回归线近似为幂函；答：幂函数y=axb两边取对数后变为直线方程Y=；12、推求设计洪水过程线的基本方法是什么，洪水过；答：推求设计洪水时要确定设计洪水过程线，亦即确定；同倍比法较为简单，式中：T――重现期，年；――频率，％。
（2）当考虑水库兴利调节研究枯水问题时，设计频率P＞50％，则:T=1/1-P 千年一遇洪水是指在长时期内平均1000年出现一次的洪水情况，换句话说，大于等于这样的洪水平均1000年可能出现一次；95％的年径流其重现期T=20年；P=90%的枯水年，其重现期T=10年，在长时期内平均10年出现一次的枯水情况，若以P=90%的枯水年为设计依据，其安全率和风险率分别为90％和10％
11、若年径流量与年降水量之间的回归线近似为幂函数，试以分析法为例说明推求其回归方程的方法步骤？
答：幂函数y=axb两边取对数后变为直线方程Y=A+bX，其中Y=lgy，X=lgx，A=lga。因此，此时建立回归方程的步骤为：①将xj，yj变换为Xj，Yj；②按一元线性回归方法计算A、b；③将A取反对数得a；④把a、b代入y=axb中，即得要推求的回归方程。
12、推求设计洪水过程线的基本方法是什么，洪水过程线放大有哪两类方法？
答：推求设计洪水时要确定设计洪水过程线，亦即确定设计洪水的时程分配。目前，生产上一般采用放大典型洪水过程线的方法确定设计洪水过程线。进行洪水过程线放大通常采用两种方法，即同倍比法和同频率法。
同倍比法较为简单，可采用设计洪峰流量与典型洪峰流量的比值或某时段的设计洪量与典型洪量的比值对典型洪水过程线进行放大。但按此法进行放大后，不能保证设计洪水过程线各个时段的洪量或洪峰流量都与设计值相等。
采用同频率法放大典型洪水过程线时，对洪峰流量和各个时段的洪量采用不同倍比，使得放大以后的过程线洪峰流量以及各时段的洪量可分别等于设计洪峰流量和设计洪量值。
13、某流域下游有一个较大的湖泊与河流连通，后经人工围垦湖面缩小很多。试定性地分析围垦措施对正常年径流量、径流年际变化和年内变化有何影响？
答：由于水面蒸发减小，使年径流增加；由于调蓄能力减小，使年际、年内变化加剧。
14、人类活动对年径流有哪些方面的影响？其中间接影响如修建水利工程等措施的实质是什么？如何影响年径流及其变化？
答：有直接与间接两方面的影响。修建水利工程等措施的实质是改变下墊面性质而影响年径流，它们将使蒸发增加，从而使年径流量减少；调蓄能力增加，从而使径流的年内、年际变化趋于平缓。
15、水文资料的三性审查是指什么？对年径流系列一致性审查是建立在气候条件和下墊面条件稳定性上的，一般认为什么条件是相对稳定的，主要由于什么条件受到明显的改变使资料一致性受到破坏？
答：水文资料的三性审查是指对资料的可靠性、一致性和代表性进行审查。对年径流系列一致性审查是建立在气候条件和下墊面条件稳定性上的，一般认为气候条件是相对稳定的，主要由于下墊面条件受到明显的改变使资料一致性受到破坏。
16、缺乏实测资料时，怎样推求设计年径流量？
答：缺乏实测资料时，一般可采用水文比拟法或年径流量统计参数等值线图、
分区图法求得均值、Cv、Cs，并确定线型，推求年径流理论频率曲线，再由设计频率查此曲线得设计年径流量。
17、为什么年径流的CV值可以绘制等值线图？从图上查出小流域的Cv值一般较其实际值偏大还是偏小？为什么？
答：因年径流变化主要受气候因素的影响，后者在地区上的变化具有缓变的规律性，因此，年径流Cv值可绘成随地区变化的等值线图。
因Cv等值线图大多是由中等流域资料计算的Cv值绘制的，而中等流域比小流域有较大的调蓄补偿作用，故从等值线图上查得的小流域Cv值常常比实际的偏小。
18、推求设计年径流量的年内分配时，应遵循什么原则选择典型年？
答：选择典型年的原则有二：①典型年的年径流量应接近设计年径流量；②对工程设计偏于安全。
19、简述具有长期实测资料情况下，用设计代表年法推求年内分配的方法步骤？
答：方法步骤为：①根据长期年径流系列进行频率计算，推求设计年径流量Qp；②按选择代表年（典型年）的原则，在实际资料中选择典型年Q典；③以K=Qp/Q典分别乘典型年各月的月径流量，得设计年径流的各月径流量，即设计年径流的年内分配。
20、简述年径流年内、年际变化的主要特性？
答：（1）年内变化具有一年为周期的周期性变化；
（2）年际变化具有丰、枯年组的交替现象，但周期很不固定；
（3）年内、年际变化还具有明显的地区性，我国北方的径流变化一般比南方多雨地区剧烈。
21、何谓保证率？若某水库在运行100年中有85年保证了供水要求，其保证率为多少？破坏率又为多少？
答：用水的保证程度。p=85%；q=1-85%=15%
22、何为抽样误差，如何减少抽样误差？
答：用一个样本的统计参数来代替总体的统计参数是存在一定误差的，这种误差是由于从总体中随机抽取的样本与总体有差异而引起的，与计算误差不同，称为抽样误差。
抽样误差的大小由均方误来衡量。计算均方误的公式与总体分布有关。对于皮尔逊Ⅲ型分布且用矩法估算参数时，用、、、分别代表、、Cv和Cs样本参数的均方误，计算公式略。抽样误差的大小，随样本项数、cv、和cs的大小而变化。样本容量大，对总体的代表性就好，其抽样误差就小，这就是为什么在水文计算中总是想方设法取得较长
的水文系列的原因。
23、设计洪水的概念
答：由于流域内降雨或溶雪，大量径流汇入河道，导致流量激增，水位上涨，这种水文现象，称为洪水。在进行水利水电工程设计时，为了建筑物本身的安全和防护区的安全，必须按照某种标准的洪水进行设计，这种作为水工建筑物设计依据的洪水称为设计洪水。在工程设计中,设计标准由国家制定,以设计规范给出。规划中按工程的种类、大小和重要性,将水工建筑物划分为若干等级,按不同等级给出相应的设计标准。
24、等流时线的原理以及应用
答：假定流域中任一地点的雨水流速都相同，则任一地点净雨水质点流达出口断面的时间就取决于它与出口断面的距离。据这一假定，将流域内汇流时间相等的点连接起来，称为等流时线。等流时线概念可用方程式表述如下:按等时距Δt在流域图上作等流时线,如图中1-1，2-2,...。相邻等流时线间的面积称为等流时面积。每块的面积为ΔFi（i=1,2,3,...）。又知各时段的径流深为Ri,则流域出口在时段t(t =1,2,3,...)末的流量Qt为：式中n为等流时面积的块数。
等流时线概念简明地阐述了流域出口流量是如何组成的。它是水量平衡方程在动态条件下的表述，是流域汇流计算的一个基本概念。但它只考虑了汇流的平均流速，没有考虑同一条等流时线上的水质点具有不相同的流速。在汇流过种中，各条等流时线上的水质点可以相互混和。这种现象称为流域的调节作用。它使得出口的流量过程比上述公式所计算的更为平缓。因此，等流时线方法的误差很大，现已很少直接应用，或需经调蓄改正后，才能实际应用。
25、推求设计洪水有哪几种基本途径？
答：这里所指的设计洪水是广义的，包括校核洪水。设计洪水的计算内容包括洪峰流量、设计洪量和设计洪水过程线。由于每个工程的特点和设计要求不同，设计的重点和计算的内容不同。例如，提防、灌溉用渠道、桥涵等建筑物没有调蓄能力，则对工程起控制作用的是洪峰流量，因此，只需重点计算设计洪峰流量；而对于滞洪、蓄洪区则主要计算洪水总量；对于水库，由于设计洪峰流量、设计洪水总量和设计洪水过程线对水库都有影响，则需要计算设计洪峰流量、设计洪水总量和设计洪水过程线。
设计洪水的推求一般分为有资料和无资料两种情况。
有资料推求设计洪水分为三种：①由流量资料推求设计洪水；②由暴雨资料推求设计洪水；③由水文气象资料推求设计洪水。
无资料推求设计洪水分为地理差值法和经验公式法两种方法。①地理差值法是对于缺乏实测资料地区，根据邻近地区的实测或调查资料，对洪峰流量模数、暴雨特征值、暴雨和径流的统计参数等，进行地区综合，绘制相应的等值线图，一般供无资料的中小流域使用；②经验公式法是在上述地区综合分析基础上，建立洪水与暴雨特征值和流域特征值的简化公式，用于估算无资料地区的设计洪水。
无论采用何种方法推求设计洪水，均需要进行历史洪水调查，用来参加计算或作为分析论证的依据，上述各种方法是相辅相成的，可同时使用几种方法，相互验证、综合分析，选定合理成果。
二、分析计算题
1、某水文站控制流域面积F=560KM2，已知多年平均降雨量mm P 820'=，多年平均径流系数α＝0.40，试求其多年平均年径流总量'W ，多年平均年径流量Q ，多年平均径流深'R 及多年平均年径流模数'M 。
解：多年平均径流深R=ap=0.4*820=328mm
年平均径流总量W'=R'F=328*560*10-3*106=18368(万m 3)
多年平均年径流量Q'=T W '=3600*24*365183680000
=5.824(m 3/s)
多年平均年径流量M'=F Q *10m 3=560824
.5*10m 3=10.4（L/(s.km 2)）
2、某流域面积F=900KM 2，其多年平均降雨量mm P 1280'=，多年平均径流深mm R 650'=，试求多年平均蒸发量'E 。又该地多年平均水面蒸发量
mm E w 1500'=，如该河修建水库后，
在该河流域面积之内的水面面积比之未建水库时增加60KM 2，试分析建水库后流域多年平均蒸发量是增大还是减小？并计算建水库后的多年平均径流深''R 及多年平均年径流量'Q 。
答：根据流域多年平均水量平衡关系有：E ’=P ’-R ’=1280-650=630(mm) 修建水库后，由于增加了水面面积，而水面蒸发量大于陆面蒸发量，因此,修建水库后增大了蒸发量。可近似取陆面蒸发量为流域多年平均蒸发量，则建水库后多年平均增加的蒸发量：
△W ’=(E W ’-E ’)* △F=(1500-630)*60*10-3*106=522*104m 3
故修建水库后的多年平均蒸发量为：
E ”=E ’+△W ’/F=630+(522*104/900*106)*103=630+5.8=635.8mm
故建水库后的多年平均径流深R ”为：R=P ’-E ”=1280-635.8=6442（mm ） 多年平均年径流量Q ’=R ”F/T=644.2*900*103/365*24*3600=18.38（m 3/s ）
3、某水库属大（2）型水库，已知年最大7天暴雨系列的频率计算结果为=432mm 、C V =0.48，C S =3C V 。试确定大坝设计洪水标准，并计算该工程7天设计暴
雨。
提示已知适线结果的情况下，推求设计值均用如下公式：
或
答：因为该水库属大（2）型水库，根据水利部2000年颁发的编号为SL 252-2000的《水利水电工程等级划分及洪水标准》，水库工程为Ⅱ等，大坝为2级建筑物，设计洪水标准为500~100年一遇，从工程的重要性考虑，最后选定按
500年一遇洪水设计。因为暴雨和洪水同频率，因此要推求500年一遇的设计暴
雨，即：X
7á*p -0.2%=K
PX’
=3.22*432=1391mm
4、某工程设计暴雨的设计频率为P=2%，试计算该工程连续2年发生超标准暴雨的可能性？
答：因为暴雨是随机事件，每年都有P=2%的可能性发生超标准暴雨，连续2年发生超标准暴雨的概率为：P
M
=P X=0.022=0.04%
5、已知某流域多年平均最大3天暴雨频率曲线：=210mm、C
V =0.45，C
S
=3.5C
V
，
试求该流域百年一遇设计暴雨。
答：X
1%=X’
24
( C
V
Φ
P
+1)=210*(0.45*3.38+1)=529.4mm
6、某流域根据实测暴雨和历史调查大暴雨资料，已经绘制出7d暴雨量经验频率曲线，现从经验频率曲线上读取三点（945，5%）、（345，50%）、（134，95%），试按三点法计算这一7d暴雨系列的统计参数。
答：（1）计算S=（945+134-2×345）/（945-134）=0.48，由S查S=f（CS）关系表得CS=1.70。
（2）由CS查离均系数Φ值表得：Φ
5%-Φ
95%
=1.97+1.06=3.03，Φ
50%
=-0.27
计算：ó=（Xp1-XP3）/(Φ5%-Φ95%）=(945-134)/3.03=417.3mm （3）X’=X
5%
=345+267.7*0.27=417.3mm
（4）CV=ó/X’=267.7/417.3=0.642
7、已知某流域50年一遇24h设计暴雨为490mm，径流系数等于0.83，后损率为1.0mm/h，后损历时为17h，试计算其总净雨及初损。
答：总设计净雨量为：R
10%=áX
10%
=0.83*490=406.7mm
因后损率f’=1.0mm/h，后损历时17h，故总后损量为17mm，则初损为：
I 0=X-R-f’t
后
=490-406.7-1.0*17=66.3mm
8、已知某流域百年一遇设计暴雨过程如下表，径流系数等于0.85，后损率为1.5mm/h，试用初损、后损法确定初损和设计净雨过程。
答：1）设计总降雨量为：áX1%=0.85*420=357mm
按=1.5mm/h将降雨过程从后向前逐时段扣除后损，并累加净雨，当累加净雨量等于总设计净雨量时，其前的降雨即为初损I0，从下表可知，I0=27 mm。
9、已知百年一遇的设计暴雨，其过程如下表，径流系数，后损，试用初损、后损法确定初损及设计净雨过程。
=0.88×420=369.6mm
答：1）设计总降雨量为=R
5.1%
2）按f’=1mm/h在降雨过程线上自前向后计算累计净雨∑R i，当∑R i=369.6mm时，其前面的降雨即为I0，依此求得I0=27.0mm
用初损、后损法确定初损和设计净雨过程
10、已知百年一遇暴雨为460mm ，暴雨径流系数
，后损历时，试确定其初损。 答：P 1%=460mm ，α=0.87，f ’=1mm/h,t c =24h
I C +f tc =(1-α)P 1%
所以 I C =(0.13×460)-1×24=59.8-24=35.8mm
11、如图所示为一溢流坝上的弧形门。已知：R=10m ，门宽b=8m ，α=30°，试求：作用在弧形闸门上的静水总压力及压力中心的位置。
答：静水压力的计算：H=R sin30°=10*0.5=5m
水平分力的计算：P X =rh c A X =r(4+H/2)*(bH)=9.8*(4+5/2)*5*8=2548(KN)
静水总压力的铅直分力计算：
ab=R-R COS30°=10-10*0.8666=1.34m
P X =rv=rA abod =(A 矩形形abce +A 扇形aod -A 三角形cod )rb =(4*1.34+??36030π*102-2
1*5*8.66)*9.8*8 =774.6(KN)
静水总压力：P=P X 2P y 2=25482+774.12=2663(KN)
合力与水平线的夹角：θ=tg-1(P X /P y )=tg-1(774.6/2548)=16.91°
压力中心D ：hD=4+10*sin16.91°=6.91m
12、水从水箱流入一管径不同的管道，管道连接情况如图所示。已知：d 1为150mm ，
l 1为25m ，λ
1为0.037；d 2为125mm ，l 2为10m ，λ2为0.039。局部水头损失系数：进口ζ1为0.5，逐渐收缩ζ2为0.15，阀门ζ3为2.0。（以上ζ值相应的流速均采用发生局部水头损失后的流速。）试求：（1）沿程水头损失∑hf ；（2）局部水头损失∑hj ；（3）要保持流量Q 为25000cm 3/s 所需要的水头H 。
答：V 1=Q/A 1=0.025/(31.4*0.152/4)=1.415m/s
V 2=Q/A 2=0.025/(31.4*0.1252/4)=2.04m/s
H=V 22/2g+h w
=V 22/2g+λ1L 1/d 1*V 12/2g+λ2L 2/d 2*V 2/2g+ζ进口V 12/2g+ζ收缩V 22/2g+ζ阀门V 22/2g 代入数据解得：H=2.011m
故所需水头2.011m
13、一简单管道，如图所示。长为800m ，管径为0.1m ，水头为20m ，管道中间有2个弯头，每个弯头的局部水头损失系数为0.3，已知沿程阻力系数λ=0.025，试求通过管道的流量。
答：解：（一）先将管道作为短管，求通过管道流量。根据（4-4）式并且不考虑行近流速水头，则Q=μcA 2gH ,μc=1/(1+λd
1+∑ξ) 局部损失共包括进口损失和弯头损失，进口局部损失系数ξe=0.5,
故μc=1/0.3*2+0.5+800/0.1*0.0025+1=1/20210=0.0703
Q=0.0703*(3.14*0.12)/4*20*6.19=0.01093m 3/s
（2）计算沿程程损失及局部损失
管中流速V=A Q =0.01093/（3.14*0.12/4）=1.39m/s 沿程损失h f =λ1V 2/d2g=0.025*800/0.1*0.0989=19.79m
局部损失hj=∑ξV 2/2g=(0.5+2*0.3)*0.0989=0.109m
故沿程水头损失占总水头的百分数为h f /H=19.79/20=0.989=98.9%
所以该管通按长管计算就可以了。
（3）按长管计算管道所通过的流量
根据Q=K*H/L , K=AC R , C=λg
8=025
.08.9*8=55.9m 1/2/s Q=3.14*0.12/4*55.9*
41.0*80020=0.01097m 3/s 故按长管计算和短管计算所得流量相差0.00004m 3/s,相对误差为0.00004/0.01093=0.36% ,由此可见，将上述管道按长管计算误差很小。
14、一矩形断面的棱柱体渠道，底宽b=6m ，底坡i=1.25×10-4，粗糙系数n=0.025。当正常水深h 0=3m 时，问能否通过设计流量Q 设=20m 3/s 。
答：用式(5-6)进行计算。当正常水深hO=3m 时，相应过水断面 过水断面面积
A=bh 0=6*3=18(m 2)
湿周X=b+2h 0=6+2*3=1.5(m)
水力半径R=A/X=18/12=1.5(m)
流量Q=A/nR 2/3*i 1/2=18/0.025*1.52/3*0.00001251/2=10.545（m 3/s ）
计算渠道通过的流量Q=10.55m 3/s 小于设计流量。所以该渠道不能满足设计要 求。
15、某梯形断面渠道，土质为粘土，其底宽b=0.4m ，边坡系数m=1.5，渠道底
坡i=0.001，糙率n=0.025，渠道的设计流量Q p =0.55m 3/s ，渠底至渠顶高差为0.86m ，渠顶的安全超高为0.2m ，渠道不淤流速v 不淤=0.5m/s 。试校核渠道的输水能力和流速。
答：渠堤的安全超高为0.2m ，则中道的水深为h=0.66m
渠道水面宽度B=b=2mh=0.4+2*1.5*0.66=2.38m
湿周X=b=2h 1+m 2=0.4+2*0.661+1.52=2.78m
水力半径R=A/X=0.917/2.78=0.33m
流量Q=A/nR 2/3*i v2=0.917/0.025*0.332/3*0.0011/2=0.554m 2/s
计算的流量大于已知流量Q ≈Q p =0.55m 3/s,表明该渠道满足设计要求。 渠道的稳定校核按V 不淤<[V] 当水力半径R=1m 时，黏土的不冲流速V 不冲=0.85m/s 当水力半径R=0.33m 时，黏土的不冲流速V 不冲=0.85*0.331/4=0.64m/s 渠道中不淤流速V 不淤=0.5m/s 渠中实际流速V=Q/A=0.554/0.917=0.604m/s 所以渠中流速满足V 不淤<[V] 16、一矩形渠道，渠中水深h=0.8m ，渠道底宽b=2m ，通过的流量Q=2.0m 3/s ，试用波速c 和弗劳德数Fr 判别渠中流态。 解：断面平均流速V=Q/A=2/(2*0.8)=1.25m/s 微波波速C=h 8=8.0*8.9=2.8m/s 弗劳德数Fr=v/h 8=1.25/2.8=0.45 因为Fr<1,V 17、某一矩形断面棱柱体渠道，底宽b=4.0m ，通过的流量Q=16m 3/s ，渠道上修建一闸门，闸后产生一水跃，跃前水深h ’=0.6m ，计算跃后水深h ’’和水跃的长度。 解：（1）求跃后水深h ” 跃前断面流速v 1=Q/bh ’=16/4*0.6=6.67m/s 跃前弗劳德数F r1=V 1/'8h =6.67/6.0*8.9=2.75 跃后断面流速h ”=h ’/2[（ 1+8F r1）-1]=0.6/2*[（1+8*2.75）-1]2.05m (2)计算水跃长度 Lj=6.9(h ”- h ’)=6.9*(2.05-.06)=10m 18、某水闸为平板闸门，无底坎，闸前水头H=3.5m ，闸孔过水净宽B=3.0m ，闸门开启度e=0.7m ，下游水深较小，为自由出流，不计闸前行近流速v 0，求闸的泄流量；若考虑闸前行近流速，闸前渠道为矩形断面，且渠道宽B 0=4.0m ，其他条件不变，求闸的泄流量。 答：(1)不计行近流速（H 0=H ）,首先判别流态，很据e/H=0.7/3.5=0.2<0.65 可知为闸孔出流，计算泄流量Q=μ0Be 2gH0 因为是平板闸门, 所以μ0=0.60-0.18*0.2=0.564，Q=0.564*3.0*0.7* (19.6*3.5)=9.81m 3/s (2)考虑行近流速，先设行近流速V 0≈0，H 0=H 由上面计算可求出Q=9.81m 3/s 根据求出的流量可算闸门前行近流速V 0=Q/B 0H=9.81/4*3.5=0.7m/s H 0=H+V02/2G=3.5+0.7m/s , Q=0.564*3.0*0.7*53.3*6.19=9.84m 3/s 19、有一带底坎的宽顶堰上有三孔进水闸，如图所示。已知当闸门全开时，上游水深H 1=3.1m ，下游水深h t =2.63m ，上游坎高P 1=0.6m ，下游坎高P 2=0.5m ，闸孔宽b=2m ，边墩及中墩头部均为半圆形，墩厚d=1.2m ，渠道宽B 0=9.6m 。试求过堰流量Q 。 解：闸门全开为宽顶堰流，则计算式为Q=εmB 2gH 03/2=δmnb 2gH 03/2 堰前水头为H=H 1-P 1=3.1-0.6=2.5m 因Q 未知，行近流速v 0暂忽略不计，故H 0≈H=2.5m 。 (1)确定流量系数，进口为圆形，流量系数： m=0.36+0.01*(3-P1/H)/(1.2+1.5*P1/H)=0.378 （2）确定侧收缩系数，边墩头部为半圆形，侧收缩系数为： ε”=1-a 0/312.0H P +*40 1B b -*（1-0B b ）=0.972 中墩为半圆形收缩系数为ε’=1-a 0/312.0H P +*401B b -*（1-0B b ）=0.956 所以ε=n 1[(n-2)ε’+2ε”]=0.967 (3)确定淹没系数，判别是否淹没。 h s =h 1-P2=2.63-0.5=2.13m ,0.8H 0=0.8*2.5=2m 因为hs>0.5H 0，为淹没宽顶堰出流，查表得δs=0.96 (4)计算堰泄流量Q=0.96*0.97*0.378*3*2*g 2*2.53/2=36.87m 3/s 考虑行近流速的影响，则V 0=Q/A=Q/H 1*B 0=36.87/29.76=1.24m/s H 0=H+V 02/2g=2.5+1.242/19.6=2.58m 根据m=0.378，ε=0.967，hs/H 0=2.13/2.58=0.83 查表得δs=0.98，则由Q 可求H 0=2.59m ，再求出Q=39.66m 3/s ，与上一个Q 很接 近，所以取Q=39.66m 3/s 20、设有非真空剖面的溢流堰，流量系数m=0.49，堰前水头H 0=3.63m ，堰顶高出河底P 1=P 2=15m ，当下泄单宽流量q=15m 3/（s ·m ）时，下游矩形断面河槽的水深h t =5.8m ，如坝趾与槽底齐平，流速系数ψ=0.936，试判断坝下水流的衔接形式。 解：求收缩断面的水深h c E 0=h c +q 2/（2g ?2h c 2），式中E 0=P 2+H 0=15+3.63=18.63m 将9.4、E 0等值代入，用迭代逼近法计算h c ，18.63=h c+q 2/（2g ?2h c 2）， H c={[q 2/（2g ?2h c 2）]/（E 0-h c ）}=c h -63.1810.13 先忽略h c ，则可计算得h c1，h c1=63 .1810.13=0.839m 将h c1代入，求h c2，h c2=839 .063.1810.13-=0.858m 将h c2代入，求h c3，h c3= 858.063.1810.13-=0.859m 由于h c3和h c2相近，故取h c =0.859m ≈0.866m,相应与该单宽流量的临界水深为h k =3(aq 2/g)=2.84m 由于h c h c ”=h c /2*[(8q 2/gh c 3)-1]=(0.86/2)*[(8*152/9.8*0.863)-1]=6.89m>h t =5.8m 故产生远驱式水跃，需建消力池。 工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论 工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论 实验一流体静力学实验 验原理 重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 (1.1) 中： z被测点在基准面的相对位置高度； p被测点的静水压强，用相对压强表示，以下同； p0水箱中液面的表面压强； γ液体容重； h被测点的液体深度。 对装有水油（图1.2及图1.3）U型测管，应用等压面可得油的比重S0有下列关系： (1.2) 此可用仪器（不用另外尺）直接测得S0。 验分析与讨论 同一静止液体内的测管水头线是根什么线？ 测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。测头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根。 当P B<0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。 ，相应容器的真空区域包括以下三部分： )过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真。 )同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。这段高度与测压管2液面低液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。 若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0。 最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油 至油面的垂直高度h和h0，由式，从而求得γ0。 如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛由下式计算 中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是有 单位为mm) 一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不计。另外，当水质，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其h较普管小。 如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。 过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？ 工程水文水力学选择题 1. 液体某点的绝对压强为58kN/m 2 ，则该点的相对压强为( D ) ? A. 159.3kN/m 2 ? B. 43.3kN/m 2 ? C. －58kN/m 2 ? D. －43.3kN/m 2 . 2. 恒定流就是( B ) ? A. 同一断面各点的流速均相等的流动 ? B. 任一点的运动要素不随时间而变化的流动 ? C. 流态沿流程不变的流动 ? D. 运动要素沿流程不变的流动 3. 伯努利方程中 表示（ C ） ? A. 单位重量流体的势能 ? B. 单位重量流体的动能 ? C. 单位重量流体的机械能 ? D. 单位质量流体的机械能 4. 明渠均匀流的特征是( A )。 ? A. 断面面积、壁面粗糙度沿流程不变 ? B. 流量不变的长直渠道 ? C. 底坡不变、粗糙度不变的长渠 ? D. 水力坡度、水面坡度、河底坡度皆相等 5. 一垂直立于水中的矩形平板闸门，门宽4m ，门前水深2m ，该闸门所受静水总压力为( )，压力中心距自由液面的铅直距离为( B )。 ? A. 60kPa ，1m ? B. 78.4kN ， ? C. 85kN ，1.2m ? D. 70kN ，1m 6. 当动能校正系数α=1.0意味着过水断面上( ) ? A. 点流速均相等 ? B. 流速分布呈抛物线分布 ? C. 流速分布呈对数分布 ? D. 过水断面上各点流速大小不等 7. 在紊流中( C ) ? A. 液体质点作有秩序的运动 ? B. 一层液体在另一层液体上滑动 ? C. 液体质点作不规则运动 ? D. 粘滞性的作用比动量交换的作用更大 8. 平衡液体中的等压面必为 ( D ) ? A. 水平面 ? B. 斜平面 ? C. 旋转抛物面 2 2p v z g αγ++ 工程水文水力学思考题和计算题 一、思考问答 1、水文现象是一种自然现象，它具有什么特性，各用什么方法研究？ 答：具有确定性（也可说周期性）与随机性，确定性决定了水文现象的相似性，决定了水文现象的随机性。确定性规律用成因分析发研究，随机性规律用数理统计法研究。 1）成因分析法： 如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。 2）数理统计法： 情势预测、预报的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算、地区经验公式等。 水文计算常常是二种方法综合使用，相辅相成，例如由暴雨资料推求设计洪水，就是先由数理统计法求设计暴雨，再按成因分析法将设计暴雨转化为设计洪水。 此外，当没有水文资料时，可以根据水文现象的变化在地区分布上呈现的一定规律（水文现象在各流域、各地区的分布规律）来研究短缺和无资料地区的水文特征值。 2、何谓水量平衡？试叙闭合流域水量平衡方程在实际工作中的应用和意义。 答：对任一地区、任一时段进入的水量与输出的水量之差，必等于其蓄水量的变化量，这就是水量平衡原理，是水文计算中始终要遵循的一项基本原理。 依此，可得任一地区、任一时段的水量平衡方程。对一闭合流域：设P 为某一特定时段的降雨量，E 为该时段内的蒸发量，R 为该时段该流域的径流量，则有：P=R+Ec+△U , △U为该时段流域内的蓄水量，△U=U1+U2。 对于多年平均情况，△U ＝0，则闭合流域多年平均水量平衡方程变为：P'=R'+E' 影响水资源的因素十分复杂，水资源的许多有关问题，难于由有关的成因因素直接计算求解，而运用水量平衡关系，往往可以使问题得到解决。因此， 水量平衡原理在水文分析计算和水资源规划的分析计算中有广泛的应用。如利用水量平衡式可以用已知的水文要素推求另外的未知要素。例如：某闭合流域的多年平均降雨量 P'=1020mm ，多年平均径流深R'=420mm，试求多年平均蒸发量E '。E'=P'-R'＝600mm。 3、何谓年径流？它的表示方法和度量单位是什么？径流深度、径流总量、平均流量、径流模数的概念及相互关系。 答：一个年度内在河槽里流动的水流叫做年径流。年径流可以用年径流总量W（m3）、年平均流量Q（m3/s）、年径流深R（mm）、年径流模数M（L/(s ﹒km2)）等表示。 将计算时段的径流总量，平铺在水文测站以上流域面积上所得的水层厚度，称为径流深度径流总量是指在指定时段Δt通过河流某一断面的总水量。 径流模数是单位流域面积上单位时间所产生的径流量。 4、流量的观测与水位流量关系曲线的延长。 答：测站测流时，由于施测条件限制或其他种种原因，致使最高水位或最低水位的流量缺测或漏测，在这种情况下，须将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过程。 1）根据水位面积、水位流速关系外延：河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点常较密集，曲线趋势较明确，可根据这两根线来延长水位流量关系曲线。 2）根据水力学公式外延：此法实质上与上法相同，只是在延长Z～V曲线时，利用水力学公式计算出需要延长部分的V值。最常见的是用曼宁公式计算出需要延长部分的V值，并用平均水深代替水力半径R。由于大断面资料已知，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降I。 3）水位流量关系曲线的低水延长：低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零。此法关键在于如何确定断流水位，最好的办法是根据测点纵横断面资料确定。 5、流域平均降水量的计算方法。 工程流体力学闻德课后习题答案 第五章 实际流体动力学基础 5—1设在流场中的速度分布为u x =2ax ，u y =-2ay ，a 为实数，且a >0。试求切应力τxy 、τyx 和附加压应力p ′x 、p ′y 以及压应力p x 、p y 。 解：0y x xy yx u u x y ττμ??? ?==+= ????? 24x x u p a x μμ?'=-=-?，24y y u p a y μμ?'=-=?， 4x x p p p p a μ'=+=-，4y y p p p p a μ'=+=+ 5－2 设例５－1中的下平板固定不动，上平板以速度v 沿x 轴方向作等速运动（如图 所示），由于上平板运动而引起的这种流动，称柯埃梯（Couette ）流动。试求在这种流动情况下，两平板间的速度分布。（请将 d 0d p x =时的这一流动与在第一章中讨论流体粘性时的流动相比较） 解：将坐标系ox 轴移至下平板，则边界条件为 y ＝０，0X u u ==；y h =，u v =。 由例５－1中的（11）式可得 2d (1)2d h y p y y u v h x h h μ=- - （１） 当d 0d p x =时，y u v h =，速度ｕ为直线分布，这种特殊情况的流动称简单柯埃梯流动或简单剪切流动。它只是由于平板运动，由于流体的粘滞性带动流体发生的流动。 当 d 0d p x ≠时，即为一般的柯埃梯流动，它是由简单柯埃梯流动和泊萧叶流动叠加而成，速度分布为 (1)u y y y p v h h h =-- （２） 式中2d ()2d h p p v x μ= - （３） 当p ＞０时，沿着流动方向压强减小，速度在整个断面上的分布均为正值；当p ＜０时，沿流动方向压强增加，则可能在静止壁面附近产生倒流，这主要发生p ＜－１的情况． 5－3 设明渠二维均匀（层流）流动，如图所示。若忽略空气阻力，试用纳维—斯托克斯方程和连续性方程，证明过流断面上的速度分布为2sin (2)2 x g u zh z ，单宽流量 3 sin 3 gh q 。 流体力学实验思考题 参考答案 流体力学实验室 静水压强实验 1．同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 测压管水头指p z +，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面内的测压管水头线是一根水平线。 2．当0?B p 时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。 0?B p ，相应容器的真空区域包括以下三个部分： （1）过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占区域，均为真空区域。 （2）同理，过箱顶小不杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。 （3）在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区域。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。 3．若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定0γ。 最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h 和0h ，由式00h h w w γγ= ，从而求得0γ。 4．如测压管太细，对于测压管液面的读数将有何影响？ 设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算 γ θσd h cos 4= 式中，σ为表面张力系数；γ为液体容量；d 为测压管的内径；h 为毛细升高。常温的水，m N 073.0=σ，30098.0m N =γ。水与玻璃的浸润角θ很小，可以认为0.1cos =θ。于是有 d h 7.29= （h 、d 均以mm 计） 一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm 时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，σ减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机下班玻璃作测压管时，浸润角θ较大，其h 较普通玻璃管小。 如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。 5．过C 点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？ 不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具有下列5个条件的平面才是等压面：（1）重力液体；（2）静止；（3）连通；（4）连通介质为同一均质液体；（5）同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件（4），相对管5 流体力学课程实验思考题解答 (一)流体静力学实验 1、 同一静止液体内的测压管水头线就是根什么线？ 答:测压管水头指γp Z +,即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测压 管水头线指测压管液面的连线。从表1、1的实测数据或实验直接观察可知,同一静止液面的测压管水头线就是一根水平线。 2、 当0 流体力学 绪论 第一章流体的基本概念 第二章流体静力学 第三章流体动力学 第四章粘性流体运动及其阻力计算 第五章有压管路的水力计算 第六章明渠定常均匀流 第九章泵与风机 绪论 一、流体力学概念 流体力学——是力学的一个独立分支，主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。 1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。 研究内容：研究得最多的流体是水和空气。 1、流体静力学：关于流体平衡的规律，研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系； 2、流体动力学：关于流体运动的规律，研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等。 基础知识：主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程（反映物质宏观性质的数学模型）和物理学、化学的基础知识。 二、流体力学的发展历史 流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通 江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的 马人建成了大规模的供水管道系统等等。 流体力学的萌芽：距今约2200年前，希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文，他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。 15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。 流体力学的主要发展： 17世纪，力学奠基人牛顿（英）在名著《自然哲学的数学原理》（1687年）中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。 之后，皮托（法）发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔（法）对运动中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利（瑞士）从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究……。在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘性流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。 19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地发展。1822年，纳维（法）建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯 实验二不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验 成果分析及讨论 1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 测压管水头线（P-P）沿程可升可降，线坡J P可正可负。而总水头线（E-E）沿程只降不升，线坡J 恒为正，即J>0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7，管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp>0。测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，J P<0。而据能量方程E1=E2+h w1-2, h w1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有h w1-2>0，故E2恒小于E1，（E-E）线不可能回升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J越大，表明单位流程上的水头损失越大，如图2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。 2.流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 有如下二个变化： （1）流量增加，测压管水头线（P-P）总降落趋势更显著。这是因为测压管水头 ，任一断面起始时的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大， 就增大，则必减小。而且随流量的增加阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减 小，故的减小更加显著。 （2）测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。 因为对于两个不同直径的相应过水断面有 式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）线的起落变化就更为显著。 3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？ 测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm，H P=均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm）， 表明均匀流同断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量力，除重力外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。 4.试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。 下述几点措施有利于避免喉管（测点7）处真空的形成： （1）减小流量，（2）增大喉管管径，（3）降低相应管线的安装高程，（4）改变水箱中的液位高度。 工程流体力学及水力学实验报告实验分析与讨论 1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？ 测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测 压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2.当P B <0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。 ，相应容器的真空区域包括以下三部分： (1)过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。 (2)同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。 (3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。 3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ 。 最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂 直高度h和h 0，由式，从而求得γ 。 4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？ 设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算 式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm， =0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是有(h、d单位为mm) 一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其h较普通玻璃管小。 如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。 5.过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？ 不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：（1）重力液体；（2）静止；（3）连通；（4）连通介质为同一均质液体；（5）同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件（4），因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。 6.用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？ 关闭各通气阀门，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由c进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。因为由观察可知，测压管1的液面始终与c点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒 流体力学课程实验思考题解答 （一）流体静力学实验 1、 同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 答：测压管水头指γ p Z + ，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测 压管水头线指测压管液面的连线。从表1.1的实测数据或实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2、 当0 水力学工程流体力学 实验指导书及实验报告 专业农田水利班级 学号姓名 河北农业大学城乡建设学院水力学教研室 目录 （一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验 (1) （二）不可压缩流体恒定流动量定律实验 (4) （三）雷诺实验 (8) （四）文丘里实验 (10) （五）局部水头损失实验 (14) （六）孔口与管嘴出流实验 (18) （一）不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺里方程）实验 一．实验目的要求： 1.掌握流速、流量、压强等动水力学水力要素的实验两侧技术； 2.验证恒定总流的能量方程； 3.通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研究，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性。 二．实验装置： 本实验的装置如图1.1所示，图中： 1.自循环供水器； 2.实验台； 3.可控硅无级调速器； 4.溢流板； 5.稳水孔板； 6.恒压水箱； 7.测压计； 8.滑动测量尺； 9.测压管；10.实验管道；11.测压点；12.毕托管；13.实验流量调节阀。 三．实验原理： 在实验管路中沿管内水流方向取n 个过水断面，可以列出进口断面（1）至断面（i ）的能量方程式（2,3,,i n =??????） 1i z + +=z +++22 1 1 1122i i i w i p v p v h g g 取121n a a a ==???=，选好基准面，从已设置的各断面的测压管中读出z+ p 值，测出通过 管路的流量，即可计算出断面平均流速v 及2 2v g ，从而即可得到各断面测管水头和总水头。 四．实验方法与步骤： 1.熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。 2.打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查泄水阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平（开关几次）。 3．打开阀13，观察测压管水头线和总水头线的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测管水头的变化情况。 4.调节阀13开度，待流量稳定后，侧记各测压管液面读数，同时测记实验流量（与毕托管相连通的是演示用，不必测记读数）。 5.再调节阀13开度1～2次，其中一次使阀门开度最大（以液面降到标尺最低点为限），按第4步重复测量。 五．实验成果及要求： 实验台号No 1.把有关常数记入表1.1 表1.1 有关常数记录表 水箱液面高程0?= cm,上管道轴线高程s ?= cm 。 注：（1）打“＊”者为毕托管测点（测点编号见图1.2） （2）2、3为直管均匀流段同一断面上的二个测压点，10、11为弯管非均匀流段同一断面上的二个测点。 2.量测（z+ p ）并记入表1.2。 流体力学实验思考题解答 （一）流体静力学实验 1、 同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 答：测压管水头指γ p Z + ，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测 压管水头线指测压管液面的连线。从表1.1的实测数据或实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2、 当0 流体力学实验思考题解答 (一)流体静力学实验 1、 同一静止液体内的测压管水头线是根什么线？ 答：测压管水头指γ p Z + ，即静水力学实验仪显示的测压管液面至基准面的垂直高度。测 压管水头线指测压管液面的连线。从表１．1的实测数据或实验直接观察可知,同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。 2、 当0 工程水文水力学思考题和计算题 工程水文学复习题 1、水文现象是一种自然现象，它具有什么特性，各用什么方法研究？ 【具有确定性（也可说周期性）与随机性，确定性决定了水文现象的相似性，决定了水文现象的随机性。确定性规律用成因分析发研究，随机性规律用数理统计法研究。 1）成因分析法: 情势的方法。如降雨径流预报法、河流洪水演算法等。 2）数理统计法： 进行水文情势预测、预报的方法。如设计年径流计算、设计洪水计算、地区经验公式等。 水文计算常常是二种方法综合使用，相辅相成，例如由暴雨资料推求设计洪水，就是先由数理统计法求设计暴雨，再按成因分析法将设计暴雨转化为设计洪水。 此外，当没有水文资料时，可以根据水文现象的变化在地区分布上呈现的一定规律（水文现象在各流域、各地区的分布规律）来研究短缺和无资料地区的水文特征值。】 2、何谓水量平衡？试叙闭合流域水量平衡方程在实际工作中的应用和意义。 3、何谓年径流？它的表示方法和度量单位是什么？径流深度、径流总量、平均流量、径流模数的概念及相互关系。 【一个年度内在河槽里流动的水流叫做年径流。年径流可以用年径流总量W （m3）、年平均流量Q（m3/s）、年径流深R（mm）、年径流模数M（L/(s﹒km2)）等表示。】 4、流量的观测与水位流量关系曲线的延长。 【测站测流时，由于施测条件限制或其他种种原因，致使最高水位或最低水 位的流量缺测或漏测，在这种情况下，须将水位流量关系曲线作高、低水部分的外延，才能得到完整的流量过程。 1）根据水位面积、水位流速关系外延：河床稳定的测站，水位面积、水位流速关系点常较密集，曲线趋势较明确，可根据这两根线来延长水位流量关系曲线。 2）根据水力学公式外延：此法实质上与上法相同，只是在延长Z～V曲线时，利用水力学公式计算出需要延长部分的V值。最常见的是用曼宁公式计算出需要延长部分的V值，并用平均水深代替水力半径R。由于大断面资料已知，因此关键在于确定高水时的河床糙率n和水面比降I。 3）水位流量关系曲线的低水延长：低水延长常采用断流水位法。所谓断流水位是指流量为零时的水位，一般情况下断流水位的水深为零。此法关键在于如何确定断流水位，最好的办法是根据测点纵横断面资料确定。】 5、流域平均降水量的计算方法。 6、如何绘制累积频率曲线？设计频率标准如何确定？ 7、经验频率曲线的绘制方法 【根据实测水文资料，按从大到小的顺序排列，如下左图所示，然后用经验频率公式计算系列中各项的频率，称为经验频率。以水文变量x为纵坐标，以经验频率p为横坐标，点绘经验频率点据，根据点群趋势绘出一条平滑的曲线，称为经验频率曲线，下右图为某站年最大洪峰流量经验频率曲线。有了经验频率曲线，即可在曲线上求得指定频率p的水文变量值Xp。 水力学实验报告思考题答案(想你所要) 实验二不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验 果分析及讨论 压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？ 测压管水头线（P-P）沿程可升可降，线坡J P可正可负。而总水头线（E-E）沿程只降不升，线坡J恒为正，即J>水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7，管收缩，部分势能转换成动能，测降低，Jp>0。测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，J P<0。而据能量方程E1=E2+h w 失能量，是不可逆的，即恒有h w1-2>0，故E2恒小于E1，（E-E）线不可能回升。(E-E) 线下降的坡度越大，即J越大流程上的水头损失越大，如图2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。 量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 下二个变化： 流量增加，测压管水头线（P-P）总降落趋势更显著。这是因为测压管水头，任一 的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大，就增大，则必减小。而且随流量的增加阻力损失亦 任一过水断面上的总水头E相应减小，故的减小更加显著。 测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。 对于两个不同直径的相应过水断面有 为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）化就更为显著。 点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？ 测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm，H P=均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），表明均 上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。 问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的 几点措施有利于避免喉管（测点7）处真空的形成： 减小流量，（2）增大喉管管径，（3）降低相应管线的安装高程，（4）改变水箱中的液位高度。 显然（1）、（2）、（3）都有利于阻止喉管真空的出现，尤其（3）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降往往就可完全避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0，比位比压能p/γ得以增大（Z），从而可能避免点7处的真空。至于措施（4）其增压效果是有条件的，现分析如下： 工程流体力学(水力学)闻德第五章-实际流体动力学基础课后答案 工程流体力学闻德课后习题答案 第五章 实际流体动力学基础 5—1设在流场中的速度分布为u x =2ax ，u y =-2ay ，a 为实数，且a >0。试求切应力τxy 、τyx 和附加压应力p ′x 、p ′y 以及压应力p x 、p y 。 解：0y x xy yx u u x y ττμ??? ?==+= ????? 24x x u p a x μ μ?'=-=-?，24y y u p a y μμ ?'=-=?， 4x x p p p p a μ '=+=-，4y y p p p p a μ'=+=+ 5－2 设例５－1中的下平板固定不动，上平板以速度v 沿x 轴方向作等速运动（如图所示），由于上平板运动而 引起的这种流动，称柯埃梯（Couette ）流动。试求在这种流动情况下，两平板间的速度分布。 （请将d 0d p x =时的这一流动与在第一章中讨论流体粘性时的流动相比较） 解：将坐标系ox 轴移至下平板，则边界条件为 y ＝０，0X u u ==；y h =，u v =。 由例５－1中的（11）式可得 2 d (1)2d h y p y y u v h x h h μ=-- （１） 当d 0d p x =时，y u v h =，速度ｕ为直线分布，这种特殊情况的流动称简单柯埃梯流动或简单剪切 流动。它只是由于平板运动，由于流体的粘滞性 带动流体发生的流动。 当d 0d p x ≠时，即为一般的柯埃梯流动，它是由简单柯埃梯流动和泊萧叶流动叠加而成，速度分布为 (1)u y y y p v h h h =-- （２） 式 中 2d () 2d h p p v x μ=- （３） 当p ＞０时，沿着流动方向压强减小，速度在整个断面上的分布均为正值；当p ＜０时，沿流动方向压强增加，则可能在静止壁面附近产生倒流，这主要发生p ＜－１的情况． 5－3 设明渠二维均匀（层流）流动，如图所示。若忽略空气阻力，试用纳维—斯托克斯方程和连续性方程，证明过流断面上的速度分布为 2sin (2) 2x g u zh z r q m =-，单宽流量 3 sin 3gh q r q m =。 水力学实验总结报告 经过八个星期的学习与实验，我学到了很多相关的知识，也对水力学实验部分有了自认为较为清醒的体会与感悟。 因为之前有做过大学物理实验，明白在实验过程的注意事项和实验结束后的数据处理在实验的整个过程尤为重要，于是在水力学实验开课之前我仔细阅读了水力学实验课本第^一章和第十二章关于测量误差及精度分析与实验数据的处理的内容，从中学到了很多需要在实验时与实验后处理时特别注意的方面，这对我后续所有实验的进行起了很好的指导作用。 在每一次实验前，老师都会向我们讲解实验的大概原理与操作步骤，因为有两个班和很多组的关系，老师的讲解我们也不是能听的很清楚，这就要求我们在实验准备阶段仔细的弄清实验原理与可能得出的实验结果，以便我们在做实验的过程中及时判断实验数据的准确性，从而避免因错误的实验操作导致的错误结果。当然在这一部分我们做的相对并不是很好，有时甚至在上课 前并未对实验原理及过程进行很好的预习。在做实验的过程中，我们不能简单的按照实验步骤来操作，在实验的过程中应仔细分析每一次得出的结果（当然，太固执与每一次的结果是无益的。），及时验算并发现错误，以便后续实验步骤的进行。 实验中要注意的事项有很多，一个小小的疏忽就很有可能导致整个实验的失败。我们也吃了这方面的亏，做第一个实验静水 压强实验时没有很好的理解装置的原理与应该特别注意的细节， 得出来的实验结果也不是特别的令人满意，在后续处理数据的时 候发现有一个实验结果得出的误差很大，效果很不好。开始时我 们打算舍弃所有的数据等到第二周重做，可是后来我们在分析思考题时发现在用实验数据来计算油的密度来验算结果时，有一项 结果是具有前后联系的，因而它的变化范围也是具有一定区间的，所以我们发现实验的误差来源于我们数据读数的估读位的误差，然后我们将这一数据的估读位做了一小幅度的调整，得出的 结果便相对十分准确了。从中我们便明白了一个实验并不是说实验结束了，数据处理完了，它就结束了，相反，在一个实验结束后对它的结果的思考与理解却是整个实验中最关键的一环。 而对于我来说，对一个实验最好的理解无益于在处理实验数据的时候了，有时候通过对计算公式的理解，对结果的分析，对思考题的解读，确实促进了我对水力学每一相关部分的认识。相对于以前需要无数次死记硬背的部分，难以理解的公式，通过对 水力学实验这一阶段的学习，我发现再去理解与记忆他们变得容易多了，这确实是一份难得的收获与体会。 当然，在处理实验数据与得出结果的过程中，也并不总是一 帆风顺的，我们也遇到了很多难题，最让我印象深刻的是水电比拟实验中流网的绘制与计算。因为实验时仪器总是并不能满足中线附近不能满足电压等于5V的缘故，我们5V的等势线偏向左边0.9厘米左右，这就造成了我们的等势线的左右不对称，给我们工程流体力学及水力学实验报告及分析讨论
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